基于隔板式通風的高海拔隧道施工需風量修正計算方法

郭佳城 盧春浩

摘要：當隧道開挖掌子面較多時，所需風量急劇增加，一般推薦采用隔板式通風方式。對于高海拔隧道，設計需風量的合理與否對于保障隧道內正常通風和作業(yè)人員施工安全意義重大。文章依托于川藏鐵路采用隔板式通風的某高海拔隧道，進行施工通風需風量的海拔高度修正計算，同時考慮隔板式風道漏風率的影響，最終得到該隧道的設計需風量為1376.2 m3/min，研究成果可為類似高海拔隧道施工通風需風量修正計算提供一定的參考價值。

[基金項目]西南交通大學2020年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：200137）

[作者簡介]郭佳城（1996—），男，碩士，研究方向為隧道通風節(jié)能及防災;盧春浩（2000—），男，本科，研究方向為隧道通風。

高海拔地區(qū)通常具有“三低”的環(huán)境特征，即“低溫、低氧、低壓”，在該區(qū)域內進行隧道施工時，保障隧道內作業(yè)面空氣質量面臨著巨大挑戰(zhàn)。施工通風作為隧道內外空氣熱交換的唯一手段，其對于滿足隧道內充足供風和作業(yè)人員施工安全起著至關重要的作用。當隧道開挖斷面過大或開挖作業(yè)面過多時，其會導致需風量劇增。若采用常規(guī)風管（直徑一般為1.8～2.2 m）通風，當風管直徑一定時，需風量的增大將使得風管內風速過大，而沿程阻力與風速平方成正比，從而大大增加風機的通風功率和經濟成本?；诖?，考慮到高海拔隧道施工的特殊環(huán)境和需風量的劇增，施工通風一般采用較大斷面的隔板式通風方式。而需風量修正計算是高海拔隧道隔板式通風中必須考慮的關鍵性問題之一。

針對高海拔隧道施工通風需風量修正計算，國內眾多學者已開展了一系列研究。茍紅松等[1]在考慮海拔高度和空氣性質的關系基礎上對高海拔隧道施工通風需風量計算、通風阻力變化及風機選型展開分析，并進行修正計算;肖元平等[2]在隧道施工引入單斜井雙正洞射流通風技術，并通過對風機選型及風機和風管配套選型進行理論計算說明這種通風模式的科學性，并成功解決了由斜井進入正洞多工作面同時施工的通風難題;趙冬波等[3]通過對隔板風道通風技術的通風原理、布置方式、適用條件和操作要點等進行分析，提出合理的需風量計算方法，并通過案例試算證明隔板式通風的節(jié)能優(yōu)勢;曹傳文[4]針對大坂山隧道通風技術參數(shù)難以滿足施工通風要求的問題，在考慮海拔變化因素基礎上展開通風風量和通風阻力的系數(shù)修正計算并驗證其可行性。

本文依托川藏鐵路某高海拔隧道工程，該隧道采用隔板式通風方式，對其施工通風需風量修正計算方法展開研究，研究成果可為類似隧道施工通風設計提供有益的借鑒價值。

1 工程概況

川藏鐵路某隧道工程海拔3 500 m，全長為37 958 m，最大埋深可達1 673 m。隧道主洞結構形式為曲墻式隧道，采用雙洞單線行車模式，其左、右線斷面面積為80 m2，單斜井長度為3 789 m，斜井斷面面積60 m2。該隧道具有超特長、埋深大的特點，為了滿足工期需要，需利用斜井進行長隧短打，并兼顧隧道左、右線施工。由于施工作業(yè)掌子面較多，其所需需風量較大，且無論采用分修還是合修，隧道施工斷面面積均較大，施工通風面臨著巨大的挑戰(zhàn)。隧道利用斜井進行多掌子面分段施工示意如圖1所示。

當隧道施工通風需風量較大時，采用現(xiàn)有的柔性拉鏈式風管已明顯不能滿足施工通風需求，故需采用斷面較大且密閉性較好的隔板式通風方式，其隔板式通風橫斷面示意圖和通風流程圖分別如圖2、圖3所示。

2 海拔高度對大氣參數(shù)的影響

隧道需風量主要是由滿足施工人員呼吸、稀釋施工機械排污廢氣、爆破排煙、最小風速需風量四者中的最大值決定。而高海拔地區(qū)環(huán)境因素和平原地區(qū)相比，其發(fā)生了明顯的改變，故需要在考慮影響需風量的環(huán)境因素基礎上進行需風量修正。本節(jié)主要研究海拔高度對大氣氧含量和重度的影響。

2.1 海拔高度對氧含量的影響

根據理想氣體狀態(tài)方程計算公式：

式中：P為氣體壓強，Pa;V為氣體體積，m3;n為氣體物質的量，mol;T為體系溫度，K;R為理想氣體常數(shù)，J/mol·K。

克拉伯龍方程設摩爾體積為Vm，則有：

假設有1 m3空氣，則可將體積濃度轉化成質量濃度為：

式中：C為質量濃度，g/m3;X為氧氣的體積分數(shù)。

故氧氣的質量濃度轉換公式為：

根據式（4）可得氧氣質量密度（即質量濃度）隨海拔的變化規(guī)律如表1所示。

通過計算，可得出氧氣質量密度隨海拔高度變化計算結果如圖4所示。

綜上所述，氧氣質量密度隨著海拔高度的增加下降較為明顯，海拔高度從0 m上升至6 000 m時，氧氣質量密度從182.8 g/m3降低至152.4 g/m3。相同體積下海拔高度6 000 m處氧含量相當于0 m處氧含量的53.8 %。

2.2 海拔高度對重度的影響

隨著隧道所處的海拔變高，大氣重度將逐漸減小，其重度與海拔高度的關系式[5]為：

式中：γh為高度h處的大氣重度，N/m3;γ0為高度0處的大氣重度，N/m3;h為海拔高度，m。

大氣重度海拔修正系數(shù)為：

隨著海拔高度的逐漸升高，大氣重度γh將逐漸降低，大氣重度海拔修正系數(shù)小于1。

綜上所述，海拔高度對大氣氧含量濃度和大氣重度均會產生較大影響，施工通風需風量計算需考慮這兩種因素的影響。

3 考慮海拔高度的隧道需風量修正計算

高海拔環(huán)境條件對人員、機械排污以及爆破煙塵均有影響，而最小風速主要考慮的是對粉塵濃度的影響，海拔因素影響較小，故本節(jié)主要針對前述三者進行需風量的海拔高度修正計算。

3.1 施工人員需風量修正

隧道內作業(yè)施工其人員需風量計算公式為：

式中：Vp為隧道施工人員呼吸所需需風量，m3/min;m為隧道內各工序最多作業(yè)人員數(shù)量，主洞按80人計;K為風量備用系數(shù)，常取1.1。

平原人員需風，按照每人3 m3/min，依托工程為3 500 m的高海拔隧道，根據環(huán)境影響規(guī)律，計算采用4 m3/min進行海拔修正。

3.2 稀釋爆破排煙需風量修正

本隧道采用鉆爆法施工，以全斷面開挖的最大耗藥量進行計算，分別考慮周邊眼、掏槽眼以及輔助眼的炸藥用量。本文綜合考慮選擇使用按照排出炮煙計算風量，其公式[6]為：

式中：Q為爆破排煙需風量，m3/min;t為爆破后排煙通風時間，20 min;G為斷面爆破所需炸藥量，250 kg;b為斷面所用炸藥每1 kg所產生的CO量，一般取為40 L/kg;A為斷面面積，該隧道斷面為80 m2;L0為風管通風長度，取為100 m;Pq為各區(qū)間末端的風量比，此處取為1;Ca為CO設計濃度，根據TB 10204-2002《鐵路隧道施工規(guī)范》CO濃度取為80 ppm即0.008 %。

而在高海拔地區(qū)，隨著大氣重度下降，同等條件下產生的有害氣體體積增大，此時需要更多的需風量。本依托工程隧道海拔高為3 500 m，由式（6）可計算得到大氣重度海拔修正系數(shù)Kγ=0.705，代入需風量修正計算公式為：

3.3 稀釋施工機械尾氣排放需風量修正

隧道施工中當進行掌子面開挖、立架、出渣以及二襯等工序施工時，其施工機械較多將產生大量的有害廢氣，必須及時將其排出隧道從而保障隧道內衛(wèi)生標準，其需風量計算為：

式中：Q為稀釋施工機械尾氣排放所需總需風量，m3/min;α為各施工機械作業(yè)利用率;均取為0.65;Q1為稀釋單位功率內燃機產生廢氣需風量，m3/（min·kW）;Ni為隧道內所有施工機械功率，kW。

隧道洞內內燃設備在出渣時假定有1臺側卸式裝載機和3臺自卸汽車，其中側卸式裝載計算功率為145 kW;自卸車計算功率100 kW。

平原地區(qū)稀釋1 kW功率排放有害氣體所需風量定為3 m3/（min·kW），隨著海拔高度的增加，考慮有害體積增大，3 000～4 000 m海拔地區(qū)的隧道施工稀釋1 kW功率排放有害氣體所需風量定為6 m3/（min·kW）。

3.4 施工斷面最小風速需風量

根據JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技術規(guī)范》相關規(guī)定，隧道全斷面開挖時通風風速不應低于0.15 m/s，導洞風速不宜低于0.25 m/s，但均不應大于6 m/s[7]。隧道施工通風應滿足洞內各項作業(yè)所需要的最小風量。則隧道掌子面按最小風速計算的風量計算式為：

式中：Qv為最小風速需風量，m3/min;v為允許最低風速，m/s;A為開挖斷面積，m2。

4 隔板式通風漏風率現(xiàn)場實測

高海拔隧道隔板式通風中的漏風現(xiàn)象主要受到隔板材料的施作方式和材料性能的影響。根據關角隧道、六盤山隧道、引漢濟渭引水隧道、長洪嶺鐵路隧道等采用隔板式通風的隧道調研可知，目前主要有2種施作方式：隔板材料（薄鐵皮）拼裝以及現(xiàn)澆式混凝土結構。由于現(xiàn)澆混凝土結構具有完全密封性，其漏風率為0，若采用該施作方式，計算需風量海拔修正的最大值即為設計需風量，此時不需考慮漏風率的影響;當采用隔板材料拼裝時，由于通風管道并非完全密閉，故需對需風量進行漏風率修正。

本文對長洪嶺隧道隔板風道不同位置處的風量進行現(xiàn)場測試，采用式（12）計算得到該隧道隔板式風道的平均百米漏風率。長洪嶺隧道施工中的隔板風道布置如圖5所示。

隧道平均100 m漏風率計算式為：

式中：P100為管路平均100 m漏風率;Qf為風機供風量，m3/s;Q0為管路末端風量，m3/s;L為管路長度，m。

通過實測，長洪嶺隧道的漏風率現(xiàn)場測試結果位于0.97 %～2.95 %之間，平均100 m漏風率取為2.28 %，故可將長洪嶺隧道平均100 m漏風率測試值作為本文隧道施工通風需風量修正計算的漏風率取值。

5 隔板式通風設計需風量確定

本文以川藏鐵路某隧道為例進行計算，隧道海拔高度3 500 m，隧道采用斜井隔板式通風方式，隧道結構型式為雙洞單線上、下行分離，單洞隧道面積為80 m2，施工通風考慮人員、機械排污、爆破排煙以及最小風速（排塵）四者需風量，同時考慮高海拔環(huán)境因素對需風量的影響，其計算結果如表2所示。

根據上述最大需風量計算結果，同時考慮隔板式通風沿程平均100 m漏風率為2.28 %，則計算得到該隧道最終的設計需風量為1 376.2 m3/min。

6 結論

本文基于隔板式通風的高海拔隧道展開施工通風需風量修正計算方法研究，主要得到結論：

（1）探究了高海拔環(huán)境下海拔高度對于空氣氧含量和重度的影響。其中，氧氣質量密度隨海拔高度的增加下降較為明顯，當海拔高度從0 m上升至6 000 m時，氧氣質量密度從182.8 g/m3降低至152.4 g/m3;同時大氣重度γh也隨海拔高度的升高逐漸降低，大氣重度海拔修正系數(shù)小于1。

（2）計算得到平原地區(qū)施工人員呼吸、稀釋爆破排煙需風量、稀釋施工機械尾氣排放需風量及最小風速需風量的計算公式，并針對前三者進行考慮海拔高度的需風量修正。

（3）通過對長洪嶺隧道隔板式通風進行漏風率現(xiàn)場實測，得到該隧道平均100 m漏風率為2.28 %，并將其作為本文需風量修正計算的漏風率取值。

（4）依托于川藏鐵路某隧道工程，在考慮海拔高度條件下展開四種施工通風需風量的修正計算，并得到其中需風量最大值為1 345.5 m3/min;同時，考慮漏風率影響得到該隧道最終的設計需風量為1 376.2 m3/min。

參考文獻

[1] 曹傳文.高海拔大坂山隧道通風技術參數(shù)的分析和修正研究[J].石家莊鐵路職業(yè)技術學院學報，2017，16（1）：33-38.

[2] 趙東波，李永生，茍紅松.隧道施工隔板風道通風技術[J].隧道建設， 2012， 32（6）：860-865.

[3] 肖元平，楊立新.單斜井雙正洞施工通風技術研究[J].隧道建設， 2012， 32（3）：296-301.

[4] 茍紅松，李永生，羅占夫.高海拔地區(qū)隧道施工通風風量計算及風機選型研究[J].隧道建設，2012，32（1）：53-56.

[5] 劉祥. 雀兒山高海拔特長公路隧道施工通風關鍵技術研究[D]. 成都： 西南交通大學，2016.

[6] 楊立新，等. 現(xiàn)代隧道施工通風技術[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[7] 公路隧道施工技術規(guī)范： JTG/T3660-2020[S].